DE69118185T2 - Procedure for creating the location and arrangement of an object under investigation - Google Patents
Procedure for creating the location and arrangement of an object under investigationInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position und/oder der Konfiguration eines unter Beobachtung stehenden Objektes.The invention relates to a method and a device for determining the position and/or the configuration of an object under observation.
Konventionelle Verfahren zur Bestimmung der Konfiguration eines Objektes benutzen eine Koaxialmethode, in welcher ein Laserlichtstrahl auf das Objekt auffällt, und reflektiertes Licht von einer Kamera erfaßt wird, und eine Position und eine Konfiguration des Objektes bestimmt werden.Conventional methods for determining the configuration of an object use a coaxial method in which a laser light beam is incident on the object and reflected light is captured by a camera and a position and configuration of the object are determined.
Figur 10 veranschaulicht das Prinzip der konventionellen Koaxialmethode. Wie in der Figur gezeigt, fällt ein Laserlichtstrahl 5 auf ein Objekt 2 und wird zu dem Lichtempfangsabschnitt eines Detektors 3 (Kamera) reflektiert. Aus bekannten Positionen und Winkeln der Laserquelle 1 und der Kamera 3 wird eine Position und eine Konfiguration des Objektes berechnet.Figure 10 illustrates the principle of the conventional coaxial method. As shown in the figure, a laser light beam 5 falls on an object 2 and is reflected to the light receiving section of a detector 3 (camera). From known positions and angles of the laser source 1 and the camera 3, a position and a configuration of the object are calculated.
Obwohl das Verfahren geeignet ist für eine sehr genaue Messung, muß ein Detektor 3 so eingestellt werden, daß seine optische Achse koaxial oder koinzident ist mit der Richtung der sich ausbreitenden Quelle, was oft schwierig ist und nur anwendbar ist auf solche Objekte, welche eine spezielle Form haben und aus einem speziellen Material sind.Although the method is suitable for very accurate measurement, a detector 3 must be adjusted so that its optical axis is coaxial or coincident with the direction of the propagating source, which is often difficult and is only applicable to objects which have a special shape and are made of a special material.
Wenn das Objekt überhaupt kein auftreffendes Licht reflektiert, ist es schwierig die Oberfläche des Objektes zu messen, da es kein reflektiertes Licht gibt. Und in dem Fall einer komplexen Objektoberfläche, ist es oft schwierig die Oberfläche des Objektes zu messen aus dem Grund, daß die Kameras nicht in die Richtung des reflektierten Lichtes eingestellt werden können.If the object does not reflect any incident light at all, it is difficult to measure the surface of the object because there is no reflected light. And in the case of a complex object surface, it is often difficult to measure the surface of the object for the reason that the Cameras cannot be adjusted in the direction of the reflected light.
Eine weitere Schwierigkeit besteht bei den optischen Methoden hauptsächlich aufgrund der Tatsache, daß sie sich auf Information betreffend des Zustandes der Objektoberfläche verlassen, und sie berücksichtigen nicht die gesamte den Lichtstrahl selbst betreffende Information.Another difficulty with optical methods is mainly due to the fact that they rely on information concerning the state of the object surface and do not take into account all the information concerning the light beam itself.
US-A-4 289 397 beschreibt eine Vorrichtung zur Verarbeitung eines Laser-Cellometersignals. Insbesondere wird ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben zur Bestimmung der Position einer Vielzahl von Punkten eines Ziels, z.B. einer Wolke, unter Verwendung einer Laserquelle zur Ausstrahlung eines Laserstrahls, und einer Kamera, welche nicht koaxial angeordnet ist in bezug auf den Laserstrahlweg, worin ein Lichtstreumedium den Laserstrahl streut.US-A-4 289 397 describes an apparatus for processing a laser cellometer signal. In particular, a method and apparatus is described for determining the position of a plurality of points on a target, e.g. a cloud, using a laser source for emitting a laser beam and a camera which is not coaxially arranged with respect to the laser beam path, wherein a light scattering medium scatters the laser beam.
EP-A-0 071 426 offenbart ein Verfahren und ein System zur Bestimmung einer Form in einer zu bestimmenden Ebene, in einer Atmosphäre aus streuenden Materialien. Speziell beschreibt dieses Dokument ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung dreidimensionaler Positionskoordinaten einer Form in einer Ebene, unter Verwendung einer Laserquelle zur Ausstrahlung eines Laserstrahls, eines Lichtstreumediums zur Streuung des Laserstrahls und einer Kamera zur Erfassung des gestreuten Laserstrahllichtes. Die Kamera ist nicht unbedingt koaxial orientiert in bezug auf den Laserstrahlweg, die Position einer Vielzahl von Punkten in der Ebene wird bestimmt, und das Lichtstreumedium ist beispielsweise Dunst.EP-A-0 071 426 discloses a method and a system for determining a shape in a plane to be determined, in an atmosphere of scattering materials. Specifically, this document describes a method and an apparatus for determining three-dimensional position coordinates of a shape in a plane, using a laser source for emitting a laser beam, a light scattering medium for scattering the laser beam and a camera for capturing the scattered laser beam light. The camera is not necessarily coaxially oriented with respect to the laser beam path, the position of a plurality of points in the plane is determined, and the light scattering medium is, for example, haze.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Konfiguration als auch der Oberflächenbedingung eines Objektes zu schaffen durch die Messung des gestreuten Ortes (Lokus) des Laserstrahls.It is therefore an object of the present invention to provide a method for determining the configuration as well as the To create surface condition of an object by measuring the scattered location (locus) of the laser beam.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved according to claim 1.
Bevorzugte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.Preferred embodiments are set out in the dependent claims.
Figur 1 ist ein schematisches Diagramm der Anordnung eines auf einem Dorn eines Bearbeitungswerkzeuges montierten Laser und eines Objektes, welches sich auf einem NC-Tisch des Werkzeuges zur Beobachtung befindet.Figure 1 is a schematic diagram of the arrangement of a laser mounted on a mandrel of a machining tool and an object located on an NC table of the tool for observation.
Figur 2 veranschaulicht einen Modus des Laserstrahlverfahrens und einer dafür geeigneten Struktur gemäß der Erfindung.Figure 2 illustrates a mode of the laser beam process and a structure suitable therefor according to the invention.
Figur 3 veranschaulicht einen weiteren Modus des Verfahrens der Erfindung, in welchem die unbekannte Richtung des von einem Laser ausgestrahlten Laserstrahles bestimmt wird durch Bestimmung von zwei Punkten auf dem Strahl durch eine Kamera, wobei aus den Punkten die Position des Objektes bestimmt wird.Figure 3 illustrates another mode of the method of the invention in which the unknown direction of the laser beam emitted by a laser is determined by determining two points on the beam by a camera, from which points the position of the object is determined.
Figur 4 veranschaulicht einen weiteren Modus des Verfahrens der Erfindung, in welchem die Position des Lasers unbekannt ist und ein Punkt auf dem Strahl bestimmt wird, um die Konfiguration des Objektes zu bestimmen.Figure 4 illustrates another mode of the method of the invention in which the position of the laser is unknown and a point on the beam is determined to determine the configuration of the object.
Figur 5 veranschaulicht einen weiteren Modus des Verfahrens der Erfindung, in welchem die Konfiguration eines Objektes bestimmt wird aus dem normalen Vektor an dieser Position durch Beobachtung des auf die Position auffallenden und reflektierten Strahles.Figure 5 illustrates another mode of the method of the invention in which the configuration of an object is determined from the normal vector at that position by observing the ray incident on and reflected from the position.
Figur 6 veranschaulicht die Verwendung dieser Erfindung zur Bestimmung der Konfiguration eines in eine Flüssigkeit getauchten Werkstückes bei der elektro-errosiven Bearbeitung.Figure 6 illustrates the use of this invention to determine the configuration of a workpiece immersed in a liquid during electro-erosive machining.
Figur 7 ist eine Illustration zur Erklärung des Effektes des Brechungsindex einer Flüssigkeit, welche bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mitspielt.Figure 7 is an illustration to explain the effect of the refractive index of a liquid which plays a role in the inventive method.
Figur 8 veranschaulicht wie Lichtstreuung verwendet werden kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren.Figure 8 illustrates how light scattering can be used in the method according to the invention.
Figur 9 veranschaulicht ein erfindungsgemäßes Verfahren, in welchem eine Ölschicht auf ein Objekt mit einer spiegelartigen Oberfläche aufgetragen wird, und ein Laserstrahl in den Film hineingerichtet wird, um das aus dem Film austretende Licht zu beobachten, um die Konfiguration des Objektes zu bestimmen.Figure 9 illustrates a method according to the invention in which a layer of oil is applied to an object having a mirror-like surface and a laser beam is directed into the film to observe the light emerging from the film to determine the configuration of the object.
Figur 10 veranschaulicht ein konventionelles Verfahren, welches einen Laserstrahl verwendet.Figure 10 illustrates a conventional method using a laser beam.
Figur 1 veranschaulicht ein Verfahren zur Bestimmung der Konfiguration eines Werkstückes 2, welches sich auf einen numerisch gesteuerten (NC) Arbeitstisch (nicht abgebildet) einer Werkzeugmaschine befindet, mittels eines Lasers 1, welcher auf einem Dorn der Werkzeugmaschine montiert ist. Der Laserstrahl kann durch eine optische Faser auf das Objekt gestrahlt werden. Ein reflektierter Laserstrahl 5 wird durch eine Beobachtungskamera 3 erfaßt, welche eine Bilderkennungsvorrichtung sein kann, einschließlich einer CCD-Kamera.Figure 1 illustrates a method for determining the configuration of a workpiece 2 located on a numerically controlled (NC) work table (not shown) of a machine tool by means of a laser 1 mounted on a mandrel of the machine tool. The laser beam may be projected onto the object through an optical fiber. A reflected laser beam 5 is detected by an observation camera 3, which may be an image recognition device including a CCD camera.
Der Laserlichtstrahl wird sichtbar gemacht, während er durch ein Medium 4 läuft, welches mikroskopische Partikel (z.B. Rauch, gesättigten Wasserdampf) enthält und Licht streut. Andere lichtstreuende Medien wie Kolloidflüssigkeiten, Polymerflüssigkeiten, gefärbte Flüssigkeiten, Pulverenthaltende Flüssigkeiten, Pulver-enthaltende Luft, und gefärbte Luft können ebenfalls verwendet werden. Anstelle der Partikel-enthaltenden Medien, kann eine Flüssigkeit mit einer maximalen Streuintensität für die gegebene Wellenlänge des Laserlichtes verwendet werden, wie Azeton. Wenn man kein solches lichtstreuendes Medium zur Hand hat, kann ein Zerstäuber 6 verwendet werden zur Schaffung von mikroskopischen Partikeln auf dem Weg des Laserlichtstrahls. Es ist offensichtlich, daß ein solcher Zerstäuber 6 nicht notwendig ist, wenn die Messung in einer Flüssigkeit oder einem Gas ausgeführt wird, welche den Laserlichtstrahl streuen können.The laser light beam is made visible as it passes through a medium 4 which contains microscopic particles (e.g. smoke, saturated water vapor) and scatters light. Other light-scattering media such as colloidal liquids, polymer liquids, colored liquids, powder-containing liquids, powder-containing air, and colored air can also be used. Instead of the particle-containing media, a liquid with a maximum scattering intensity for the given wavelength of the laser light can be used, such as acetone. If no such light-scattering medium is available, an atomizer 6 can be used to create microscopic particles in the path of the laser light beam. It is obvious that such an atomizer 6 is not necessary if the measurement is carried out in a liquid or gas which can scatter the laser light beam.
Keine externen mikroskopischen Partikel sind notwendig, wenn solche Partikel tatsächlich in der Meßumgebung existieren. Der Laser 1, die Kamera 3, und der Zerstäuber 6 können kompakt konstruiert sein, um so integral auf dem Dorn montiert zu sein. In einem lichtstreuenden Medium, wie es oben beschrieben wurde, wird der Laserstrahl 5 hell aufgrund der Rayleigh-Streuung und kann aus jeder Richtung beobachtet werden. Durch Bestimmung des Weges oder Ortes (Lokus) des Laserstrahles, wird ein Punkt B auf der Oberfläche des Werkstückes, an welchem das Laserlicht reflektiert wird, bestimmt. Durch Abtasten der Oberfläche des Werkstückes und durch Bestimmung anderer Punkte B auf der Oberfläche auf ähnliche Weise, kann die Konfiguration des Werkstückes erhalten werden.No external microscopic particles are necessary if such particles actually exist in the measurement environment. The laser 1, camera 3, and atomizer 6 can be designed compactly so as to be integrally mounted on the mandrel. In a light-scattering medium as described above, the laser beam 5 becomes bright due to Rayleigh scattering and can be observed from any direction. By determining the path or locus of the laser beam, a point B on the surface of the workpiece at which the laser light is reflected is determined. By scanning the surface of the workpiece and determining other points B on the surface in a similar manner, the configuration of the workpiece can be obtained.
Figur 2 zeigt das Konzept der Erfindung, in welchem ein Laser 1 einen Laserstrahl 5 emittiert, welcher auf ein Objekt 2 auftrifft und zu einer Kamera 3 reflektiert wird. Ein Zerstäuber ist in dieser Figur nicht abgebildet. Das Medium, durch welches der Laserstrahl läuft, ist dicht besetzt mit Partikeln, welche Rayleigh-Streuung auslösen können. Somit kann der von der Laserquelle 1 ausgestrahlte Laserstrahl 5 beobachtet werden, wie er auf einen Punkt B des Objektes 2 auffällt, und als eine Spur zwischen A und B erkannt werden. Der Positionsvektor Rb des Punktes B, wie er von einem beliebigen Punkt des Referenzpunktes 0 aus beobachtet wird, wird durch Gleichung (1) beschrieben.Figure 2 shows the concept of the invention in which a laser 1 emits a laser beam 5 which impinges on an object 2 and is reflected to a camera 3. An atomizer is not shown in this figure. The medium through which the laser beam travels is densely populated with particles which can cause Rayleigh scattering. Thus, the laser beam 5 emitted by the laser source 1 can be observed impinging on a point B of the object 2 and recognized as a trace between A and B. The position vector Rb of the point B as observed from any point of the reference point 0 is described by equation (1).
Rb = RL + d nL = Rc + c nb (1)Rb = RL + d nL = Rc + c nb (1)
wo RL und Rc die Positionsvektoren der Laserquelle 1 und der Kamera 3 vom Punkt 0 aus beobachtet sind. nL ist der Einheitsvektor, welcher in die Richtung des von der Quelle ausgestrahlten Laserstrahls zeigt. nb ist der Einheitsvektor, welcher von der Kamera zum Punkt B zeigt. Aus Gleichung (1) erhält man die untere Gleichung (2).where RL and Rc are the position vectors of the laser source 1 and the camera 3 observed from point 0. nL is the unit vector pointing in the direction of the laser beam emitted by the source. nb is the unit vector pointing from the camera to point B. From equation (1) we obtain the equation (2) below.
d nL - c nb = Rc - RL (2)d nL - c nb = Rc - RL (2)
Die Vektoren nL, nb, Rc und RL können erhalten werden aus der Messung der Positionen des Ursprunges 0, der Laserquelle 1, des Objektes 2, und der Kamera 3. Durch gleichzeitige Lösung der Gleichungen (1) und (2) können die Werte von d und c erhalten werden. Durch Einsetzen der Werte von d und c wird der Vektor Rb bestimmt.The vectors nL, nb, Rc and RL can be obtained from measuring the positions of the origin 0, the laser source 1, the object 2, and the camera 3. By simultaneously solving the equations (1) and (2), the values of d and c can be obtained. By substituting the values of d and c, the vector Rb is determined.
Es sei angemerkt, daß Gleichungen (1) und (2) eigentlich drei Gleichungen für zwei unbekannte sind. Daher kann man willkürlich zwei Gleichungen wählen oder die Minimalfehlerlösung berechnen unter Verwendung einer generalisierten inversen Matrix.It should be noted that equations (1) and (2) are actually three equations for two unknowns. Therefore, one can arbitrarily choose two equations or calculate the minimum error solution using a generalized inverse matrix.
Figur 3 veranschaulicht ein Verfahren zur Bestimmung des Einheitsvektors nL, welche nützlich ist in dem Fall, wo die Richtung der Laserquelle 1 nicht bekannt ist. Bei diesem Verfahren werden willkürliche Punkte A&sub1; und B auf dem Laserstrahl 5 bestimmt mittels der Kamera 3. Der Zerstäuber ist nicht abgebildet.Figure 3 illustrates a method for determining the unit vector nL, which is useful in the case where the direction of the laser source 1 is not known. In this method, arbitrary points A1 and B on the laser beam 5 are determined by means of the camera 3. The atomizer is not shown.
Der von der Laserquelle 1 ausgestrahlte Laserstrahl stellt die Spur des Strahles zwischen den Punkten A&sub1; und B bereit, so daß die Abstände d&sub1; und d&sub2; von der Kamera 3 (an Position C) zu den Punkten A&sub1; und B bestimmt werden können. Die folgenden Vektorbeziehungen (3) und (4) sind gültig bezüglichThe laser beam emitted by the laser source 1 provides the trace of the beam between the points A₁ and B, so that the distances d₁ and d₂ from the camera 3 (at position C) to the points A₁ and B can be determined. The following vector relations (3) and (4) are valid with respect to
Punkt A&sub1;: a + RL = Rc + d1 nb1 (3)Point A₁: a + RL = Rc + d1 nb1 (3)
und Punkt B: αa + RL = Rc + d&sub2; nb&sub2; (4)and point B: αa + RL = Rc + d&sub2;nb2; (4)
wobei nb1, nb2 Einheitsvektoren sind, welche von dem Punkt C der Kamera 3 zu dem Punkt A und B zeigen, a ist der Vektor, welcher vom Punkt A, der Position des Lasers, zum Punkt A&sub1; zeigt, αa ist der Positionsvektor des Punktes B, vom Punkt A&sub1; aus gesehen, d&sub1; ist der Abstand zwischen den Punkten C und A&sub1;, und d&sub2; ist der Abstand zwischen den Punkten C und B. Man kann den Punkt A als die Position des Lasers betrachten und den Punkt B als den Punkt des Objektes. Gleichungen (3) und (4) führen zu Gleichung (5).where nb1, nb2 are unit vectors pointing from point C of camera 3 to points A and B, a is the vector pointing from point A, the position of the laser, to point A₁, αa is the position vector of point B, seen from point A₁, d₁ is the distance between points C and A₁, and d₂ is the distance between points C and B. One can consider point A as the position of the laser and point B as the point of the object. Equations (3) and (4) lead to equation (5).
a (Rc - RL) + αd&sub1; nb1 - d2 nb2 = Rc - RL (5)a (Rc - RL) + αd₁ nb1 - d2 nb2 = Rc - RL (5)
Dies ist eine Simultangleichung für αd&sub1;, und d&sub2;, welche auch d&sub1; liefert. Durch Einsetzen des Wertes von d aus der Gleichung (6) unten, wird a bestimmt. Der Einheitsvektor nL, der Einheitsvektor des von dem Laser ausgestrahlten Laserstrahls wird durch Gleichung (7) gegeben.This is a simultaneous equation for αd1, and d2, which also gives d1. By substituting the value of d from equation (6) below, a is determined. The unit vector nL, the unit vector of the laser beam emitted by the laser, is given by equation (7).
a = Rc - RL + d&sub1; nb1 (6)a = Rc - RL + d1 nb1 (6)
nL = a / a (7)nL = a / a (7)
Auf der Grundlage dieses Einheitsvektors nL, kann der vom Ursprung 0 aus betrachtete Vektor Rb des Punktes B auf die gleiche Weise bestimmt werden wie in Verbindung mit Figur 2 besprochen.On the basis of this unit vector nL, the vector Rb of the point B viewed from the origin 0 can be determined in the same way as discussed in connection with Figure 2.
Figur 4 zeigt ein Verfahren, welches verwendet werden kann zur Bestimmung der Position eines Punktes B auf dem Laserstrahl 5 ohne Kenntnis der Position der Laserquelle 1, auf der Grundlage der bekannten Richtung des ausgestrahlten Laserstrahls. Eine erste Kamera 3a und eine zweite Kamera 3b werden verwendet zur Beobachtung des Punktes B. Das Verhältnis zwischen der Position C&sub1; der ersten Kamera 3a und der Position C&sub2; der zweiten Kamera 3b in bezug auf den Ursprung 0 ist gegeben durchFigure 4 shows a method that can be used to determine the position of a point B on the laser beam 5 without knowledge of the position of the laser source 1, on the basis of the known direction of the emitted laser beam. A first camera 3a and a second camera 3b are used to observe the point B. The relationship between the position C₁ of the first camera 3a and the position C₂ of the second camera 3b with respect to the origin 0 is given by
d&sub1; nb1 + RC1 = d&sub2; nb2 + RC2 (8)d1; nb1 + RC1 = d2 nb2 + RC2 (8)
wobei RC1 und RC2 jeweils die Positionsvektoren der Kameras 3a und 3b sind, nb1 und nb2 sind die Einheitsvektoren, welche von den jeweiligen Kameras zu Punkt B zeigen, d&sub1; ist der Abstand zwischen den Punkten B und C&sub1;, und d&sub2; ist der Abstand zwischen den Punkten B und C&sub2;.where RC1 and RC2 are the position vectors of the cameras 3a and 3b, respectively, nb1 and nb2 are the unit vectors pointing from the respective cameras to point B, d1 is the distance between the points B and C1, and d2 is the distance between the points B and C2.
Gleichungen (8) und (9) führen zuEquations (8) and (9) lead to
d&sub1; nb1 - d&sub2; nb2 = RC2 - RC1 (9)d1; nb1 - d2; nb2 = RC2 - RC1 (9)
Diese Simultangleichung liefert d&sub1; und d&sub2;, was seinerseits den Positionsvektor Rb des vom Ursprung 0 aus betrachteten Punktes B liefert, gemäß einer Gleichung:This simultaneous equation gives d₁ and d₂, which in turn gives the position vector Rb of the point B considered from the origin 0, according to an equation:
Rb = d&sub1; nb1 + RC1 (10)Rb = d1 nb1 + RC1 (10)
Der Punkt B kann auf der Oberfläche des interessierenden Objektes gewählt werden, um so die Konfiguration des Objektes zu bestimmen.Point B can be chosen on the surface of the object of interest to determine the configuration of the object.
Figur 5 zeigt das geometrische Verhältnis unter den Vektoren, welche verwendet werden in einem Verfahren zur Bestimmung eines Normaleneinheitsvektors nn auf der Oberfläche eines Objektes durch Bestimmung eines Einheitsvektors nr, welcher den von dem Punkt B auf dem Objekt reflektierten Laserstrahl darstellt und eines Einheitsvektors nL, welcher den auf den Punkt B auftreffenden Strahl darstellt. Der Vektor nn wird mittels nr und nL wie folgt ausgedrückt.Figure 5 shows the geometric relationship among the vectors used in a method for determining a normal unit vector nn on the surface of an object by determining a unit vector nr representing the laser beam reflected from point B on the object and a unit vector nL representing the beam incident on point B. The vector nn is expressed in terms of nr and nL as follows.
nn = nr - nL / nr - nL (11)nn = nr - nL / nr - nL (11)
Bei konventionellen Verfahren ist eine schnelle Bestimmung solcher oben erwähnten Normalenvektoren schwierig, da sogar dann, wenn viele repräsentative Punkte auf der Oberfläche des Objektes erhalten worden sind, Berechnungen erforderlich sind, um sie zu bestimmen. Im Gegensatz hierzu, kann die Erfindung die Normalenvektoren nn leicht zur Verfügung stellen.In conventional methods, rapid determination of such normal vectors mentioned above is difficult because even when many representative points on the surface of the object are obtained, calculations are required to determine them. In contrast, the invention can easily provide the normal vectors nn.
In Fällen, wo die unter Beobachtung stehende Oberfläche eine rauhe Oberfläche hat, hat der hiervon reflektierte Laserstrahl eine Gauß-Verteilung in der Intensität, wie in Figur 5 gezeigt. Dementsprechend wird die maximale Intensitätsrichtung P des reflektierten Strahles dadurch erhalten, daß ein Schwellwert gesetzt wird bei der Verarbeitung der Bilddaten. Die Meßgenauigkeit kann daher verbessert werden durch die Gewinnung des kontinuierlichen Punktes der maximalen Lichtquantität.In cases where the surface under observation has a rough surface, the laser beam reflected therefrom has a Gaussian distribution in intensity as shown in Figure 5. Accordingly, the maximum intensity direction P of the reflected beam is obtained by setting a threshold value when processing the image data. The measurement accuracy can therefore be improved by obtaining the continuous point of maximum light quantity.
Wie oben beschrieben, hat der normal reflektierte Strahl eine Raumintensitätsverteilung um den Vektor nr wie in Figur 5 gezeigt. Somit ist es möglich, die Rauhigkeit der Oberfläche zu bestimmen durch Messung der räumlichen Intensitätsverteilung. Diese Messung erlaubt ebenfalls die Erfassung von Narben und scharfen Kanten auf der Oberfläche zusammen mit der Erfassung der Rauhigkeit der Oberfläche.As described above, the normally reflected beam has a spatial intensity distribution around the vector nr as shown in Figure 5. Thus, it is possible to determine the roughness of the surface by measuring the spatial intensity distribution. This measurement also allows the detection of scars and sharp edges on the surface along with the detection of the roughness of the surface.
Figur 6 veranschaulicht die Verwendung eines Laserstrahles 1 zur Bestimmung der Konfiguration eines Werkstückes 2 in einem Elektro-Errodier-Bearbeitungsgefäß 8. Eine typische Elektro- Errosionsbearbeitung wird durchgeführt in einem von dem Gefäß 8 gehaltenen Öl 9. Da ein solches Werkstück 2 in Öl 9 oder Wasser getaucht ist, welche den Laserstrahl streuen, kann die Konfiguration und die Rauhigkeit des Werkstückes auf die oben beschriebene Weise erhalten werden.Figure 6 illustrates the use of a laser beam 1 to determine the configuration of a workpiece 2 in an electro-erosion machining vessel 8. A typical electro-erosion machining is carried out in an oil 9 held by the vessel 8. Since such a workpiece 2 is immersed in oil 9 or water, which scatter the laser beam, the configuration and roughness of the workpiece can be obtained in the manner described above.
Die Verwendung von Spiegeln und einer optischen Faser werden die Messung erleichtern, und können eine Bestimmung der Konfiguration und der Rauhigkeit der Elektrode erlauben, da der Laserstrahl jeden Punkt der Elektrode erreicht. Auch kann dies eine Bestimmung der Konfiguration der Elektrode in Echtzeit zulassen und kann die Bearbeitungsbedingung verändern aufgrund des Meßresultats. In diesem Fall kann die Messung ausgeführt werden bei einer praktisch konstanten Temperatur, da die Wärmekapazität der Flüssigkeit (Öl oder Wasser) sehr hoch ist.The use of mirrors and an optical fiber will facilitate the measurement and can allow a determination of the configuration and roughness of the electrode, as the laser beam reaches every point of the electrode. It can also allow a determination of the configuration of the electrode in real time and can change the processing condition based on the measurement result. In this case, the measurement can be carried out at a practically constant temperature, since the heat capacity of the liquid (oil or water) is very high.
Man sollte jedoch verstehen, daß der Brechungsindex der Flüssigkeit berücksichtigt werden muß bei den oben erwähnten Messungen. Der wahre Abstand D zwischen der freien Oberfläche der Flüssigkeit und der Oberfläche des Werkstückes wird durch D = n d gegeben, wo n der Brechungsindex der Flüssigkeit ist und d der scheinbare Abstand, wie in Figur 7 gezeigt.It should be understood, however, that the refractive index of the liquid must be taken into account in the above-mentioned measurements. The true distance D between the free surface of the liquid and the surface of the workpiece is given by D = n d, where n is the refractive index of the liquid and d is the apparent distance, as shown in Figure 7.
Figur 8 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung der Konfiguration und der Position eines Objektes 2 durch Verwendung der Streuung eines von einem Laser 1 ausgestrahlten Laserstrahles 5. Das Objekt befindet sich in einer Atmosphäre, welche reich ist an verteilten lichtstreuenden Partikeln (wie Rauch und gesättigtem Wasserdampf). Die Streuung des auf die Oberfläche des Objektes 2 auffallenden Laserstrahles wird beobachtet durch die Kamera, welche sich nicht koaxial zum Laserstrahl befindet. Der Punkt B, wo der Strahl 5 reflektiert wird, kann beobachtet werden als ein sehr heller Fleck, so daß durch Bestimmung des hellsten Punktes in dem Fleck die Position der Oberfläche bestimmt ist.Figure 8 shows a method for determining the configuration and position of an object 2 by using the scattering of a laser beam 5 emitted by a laser 1. The object is in an atmosphere rich in dispersed light scattering particles (such as smoke and saturated water vapor). The scattering of the laser beam incident on the surface of the object 2 is observed by the camera, which is not coaxial with the laser beam. The point B where the beam 5 is reflected can be observed as a very bright spot, so that by determining the brightest point in the spot the position of the surface is determined.
Figur 9 veranschaulicht die Verwendung eines auf der Oberfläche eines Objektes aufgebrachten Ölfilms. Das Öl wird aus Materialien ausgewählt, welche Laserlicht streuen können. Dieses Verfahren erlaubt die Bestimmung der Konfiguration eines Objektes, welches eine spiegelartige Oberfläche hat. Wenn ein Laserstrahl eingeführt wird in ein Ende des Ölfilms, wird sich der Laserstrahl in dem Film ausbreiten, wobei er darin mehrfach reflektiert wird. Durch Beobachtung der Intensität des aus dem Film austretenden Laserlichts, wird der Lokus entlang der Oberfläche des Objektes beobachtet als eine Raumfläche und die Konfiguration des Objektes kann bestimmt werden.Figure 9 illustrates the use of an oil film applied to the surface of an object. The oil is selected from materials that can scatter laser light. This method allows the configuration of an object that has a mirror-like surface to be determined. When a laser beam is introduced into one end of the oil film, the laser beam will propagate through the film, is reflected multiple times in it. By observing the intensity of the laser light emerging from the film, the locus along the surface of the object is observed as a spatial area and the configuration of the object can be determined.
Die Intensität des streuenden Lichtes fluktuiert, da die heterogen verteilten Partikel in dem Gas oder in der Flüssigkeit fluktuieren. Dementsprechend wird die Genauigkeit der Messung verbessert durch Entstörung des gemessenen Wertes des gestreuten Lichtes.The intensity of the scattered light fluctuates because the heterogeneously distributed particles in the gas or liquid fluctuate. Accordingly, the accuracy of the measurement is improved by suppressing the measured value of the scattered light.
Wenn die in der Suspension befindlichen Partikel in dem Gas oder der Flüssigkeit sich entlang der Oberfläche des Festkörpers bewegen, wird durch Beobachtung der Bewegung der suspendierten Partikel unter Verwendung eines Dopplerlasers die Position auf dem Festkörper sehr genau gemessen. Das bedeutet, daß durch einen erzwungenen Fluß des Fluids (Gas oder Flüssigkeit), welches die suspendierten Partikel enthält, und durch Messung der Richtung der Bewegung der suspendierten Partikel die Konfiguration der Oberfläche bestimmt wird.When the particles suspended in the gas or liquid move along the surface of the solid, by observing the movement of the suspended particles using a Doppler laser, the position on the solid is measured very precisely. This means that by forcing the flow of the fluid (gas or liquid) containing the suspended particles and measuring the direction of movement of the suspended particles, the configuration of the surface is determined.
Gemäß der Erfindung kann die Bestimmung der Konfiguration eines Objektes ausgeführt werden durch Messung des gestreuten Lokus des Laserstrahles oder des gestreuten Punktes, wo der Laserstrahl auf das Objekt auftrifft, sie kann sogar die Oberfläche eines Objektes ausmessen, welches überhaupt kein Laserlicht reflektiert. Das Verfahren dieser Erfindung kann verwendet werden, unabhängig von den Eigenschaften der Oberfläche, so daß die Erfindung angewendet werden kann sowohl auf spiegelartige Oberflächen wie auf rauhe Oberflächen.According to the invention, the determination of the configuration of an object can be carried out by measuring the scattered locus of the laser beam or the scattered point where the laser beam strikes the object, it can even measure the surface of an object which does not reflect laser light at all. The method of this invention can be used regardless of the properties of the surface, so that the invention can be applied to both mirror-like surfaces and rough surfaces.
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